(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転可能に配置されたロータと、
前記ロータの径方向に対向配置されたステータとを備え、
前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの径方向一端部に巻装され、超電導線材により構成される複数の超電導コイルとを含む超電導モータであって、
前記ステータコアは、環状のバックヨークと、前記バックヨークの径方向一端部に径方向に突出する複数のティースと、周方向に隣り合う前記ティース間に設けられたスロットとを有し、
前記超電導コイルは、前記ティースに巻装されており、
内側に低温の冷媒を流す少なくとも１つの細管を有する冷凍機をさらに備え、
前記細管は、前記スロット内に配置され、前記ステータの軸方向に延設する延設部である蛇行部を有し、前記蛇行部が前記ステータコアと前記超電導コイルとの双方に熱接触していることを特徴とする超電導モータ。
【請求項２】
請求項１に記載の超電導モータにおいて、
前記ステータは、前記ロータの径方向外側に対向配置されており、
前記蛇行部において、前記ステータの径方向外側に向く前記蛇行部の外端縁の少なくとも一部が前記スロットの底部に接触していることを特徴とする超電導モータ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の超電導モータにおいて、
前記細管は、前記スロットの底部と前記超電導コイルとの間に双方に接触するように配置されていることを特徴とする超電導モータ。
【請求項４】
請求項３に記載の超電導モータにおいて、
前記細管は、少なくとも１の前記ティースに熱接触していることを特徴とする超電導モータ。
【請求項５】
請求項１に記載の超電導モータにおいて、
前記細管は、前記スロット内において、前記バックヨークに接触せず、前記ティースと前記超電導コイルとの双方に熱接触するように配置されていることを特徴とする超電導モータ。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１に記載の超電導モータにおいて、
少なくとも１の前記スロット内において樹脂が充填されていることを特徴とする超電導モータ。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１に記載の超電導モータにおいて、
前記複数の超電導コイルは、前記ステータコアの軸方向両端面から軸方向外側にそれぞれ突出する両側のコイルエンド部を含み、
前記細管は、前記両側のコイルエンド部のうち、少なくとも片側の前記コイルエンド部の軸方向外端面部に対向するように配置され、前記コイルエンド部に接触するコイルエンド対向部を有することを特徴とする超電導モータ。
【請求項８】
回転可能に配置されたロータと、
前記ロータの径方向に対向配置されたステータとを備え、
前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの径方向一端部に巻装され、超電導線材により構成される複数の超電導コイルとを含む超電導モータであって、
前記ステータコアは、環状のバックヨークと、前記バックヨークの径方向一端部に径方向に突出する複数のティースと、周方向に隣り合う前記ティース間に設けられたスロットとを有し、
前記超電導コイルは、前記ティースに巻装されており、
内側に低温の冷媒を流す少なくとも１つの細管を有する冷凍機をさらに備え、
前記細管は、前記スロット内に配置され、前記ステータの軸方向に延設する延設部である軸方向の２つの直線部を有するＵ字形部を含み、前記２つの直線部が、前記直線部同士で別の前記超電導コイル、及び前記直線部同士で別の前記ティースに熱接触していることを特徴とする超電導モータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導モータに関し、特に、内側に低温の冷媒を流す少なくとも１の細管を有する冷凍機を備える超電導モータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、冷凍機を備える超電導モータが考えられている。例えば、特開２０１０−１７８５１７号公報（特許文献１）には、超電導モータと、極低温発生部と、容器とを備える超電導モータ装置が記載されている。超電導モータは、回転可能な回転軸と、回転軸の外周部に配置された複数の永久磁石とを有する回転子と、固定子とを含む。固定子は、固定子鉄心のティース部に巻回された３相の超電導コイルを有する。極低温発生部は、極低温をコールドヘッドにおいて発生させる冷凍機を有する。このコールドヘッドと超電導モータの固定子の固定子鉄心とを伝熱可能につなぐ高い伝熱性を有する熱伝導部が設けられている。熱伝導部の冷却筒部は、極低温状態に冷却され、固定子鉄心の外周部と熱的に接触して、固定子鉄心を冷却する。容器は、超電導コイルを断熱させる真空断熱室を形成する。このため、超電導コイル側に熱侵入が発生したとしても、あるいは冷凍機の冷凍出力が追いつかないときでも、固定子鉄心が超電導コイルを低温状態に維持させるとされている。また、特許文献１の図３には、固定子鉄心のティース部と超電導コイルとの間に高い熱伝導率を有する熱伝導材を設けることが記載され、同じく図４には、固定子鉄心の外周部を包囲する熱伝導部に連接部を介して熱伝導材を連設することが記載されている。この構成により、極低温発生部によって冷却されたティース部を介して超電導コイルを冷却できる可能性はある。
【０００３】
また、国際公開第０３／００１１２７号（特許文献２）には、圧縮機、高圧切換弁及び低圧切換弁を有する圧力制御手段と、室温端部と低温端部とを有する膨張圧縮部と、室温端部と低温端部とを有する蓄冷部とを備えて、被冷却対象に熱伝達する蓄冷型冷凍機が記載されている。蓄冷型冷凍機は、膨張圧縮部の低温端部と蓄冷部の低温端部とを連結し、被冷却対象まで延長した作動ガスの流路を設けている。また、パルス管冷凍機は、センサ類や半導体装置用の冷却手段として重要な役割を果たすとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１７８５１７号公報
【特許文献２】国際公開第０３／００１１２７号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記の特許文献１に記載された超電導モータのように、従来は、超電導コイルを冷却する場合に、種々の方法で寒冷の伝達を行っているが、固体の熱伝導材を使用して超電導コイルを冷却する場合、熱伝導材の熱伝導率は有限であり、有限の長さを持つ熱伝導材に熱量を流した場合、流す熱量に比例した温度差が生じるため、冷却効率を向上させるのが難しい。このため、超電導コイルの冷却効率を向上させ、早期冷却を図り、安定した超電導状態を早期に発生させる面から改良の余地がある。一方、超電導モータの負荷にかかわらず超電導モータの冷却性を確保するために、この負荷に応じて冷凍機の冷凍出力を大きくする制御を行うことも考えられる。ただし、この場合でも、高負荷時や、負荷が急激に上昇する過渡的なモータ動作状態で、冷凍機の出力から超電導コイルまでの伝熱の応答性の遅れが発生して、超電導コイルの温度が上昇し、超電導状態が破綻する可能性がないとはいえない。例えば、超電導モータにより車両の車輪を駆動させる場合、車両の急加速等により超電導モータが過負荷時になったり、高負荷時になると、超電導コイルの温度が上昇する可能性があり、超電導状態を安定して得られる手段の実現が望まれている。
【０００６】
特許文献２には、単に蓄冷型冷凍機が記載されているだけであり、冷凍機を超電導モータの超電導コイルの冷却に使用することは開示されていない。
【０００７】
本発明の目的は、超電導モータにおいて、超電導コイルを所望の極低温に効率よく冷却するとともに、高負荷時や過渡的なモータ動作状態でも、安定した超電導状態を有効に作り出すことにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る超電導モータは、回転可能に配置されたロータと、ロータの径方向に対向配置されたステータとを備え、ステータは、ステータコアと、ステータコアの径方向一端部に巻装され、超電導線材により構成される複数の超電導コイルとを含む超電導モータであって、ステータコアは、環状のバックヨークと、バックヨークの径方向一端部に径方向に突出する複数のティースと、周方向に隣り合うティース間に設けられたスロットとを有し、超電導コイルは、ティースに巻装されており、内側に低温の冷媒を流す少なくとも１つの細管を有する冷凍機をさらに備え、細管は、スロット内に配置され、ステータの軸方向に延設する延設部である蛇行部を有し、蛇行部がステータコアと超電導コイルとの双方に熱接触していることを特徴とする超電導モータである。なお、本明細書及び特許請求の範囲全体で「熱接触」とは、互いに伝熱する部材を直接に接触させる他、熱伝導性のある部材を介して接触させる場合も含む。また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、ステータは、ロータの径方向外側に対向配置されており、蛇行部において、ステータの径方向外側に向く蛇行部の外端縁の少なくとも一部がスロットの底部に接触している。
【００１０】
また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、細管は、スロットの底部と超電導コイルとの間に双方に接触するように配置されている。
【００１１】
また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、細管は、少なくとも１のティースに熱接触している。
【００１２】
また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、細管は、スロット内において、バックヨークに接触せず、ティースと超電導コイルとの双方に熱接触するように配置されている。
【００１３】
また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、ステータは、ロータの径方向外側に対向配置されており、ステータコアは、環状のバックヨークと、バックヨークの内周端部に径方向に突出する複数のティースと、周方向に隣り合うティース間に設けられたスロットとを有し、細管は、スロット内において、ステータの軸方向に延設する延設部である蛇行部を有し、蛇行部において、ステータの径方向外側に向く蛇行部の外端縁の少なくとも一部がスロットの底部に接触している。
【００１４】
また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、少なくとも１のスロット内において樹脂が充填されている。
【００１５】
また、本発明に係る超電導モータにおいて、好ましくは、複数の超電導コイルは、ステータコアの軸方向両端面から軸方向外側にそれぞれ突出する両側のコイルエンド部を含み、細管は、両側のコイルエンド部のうち、少なくとも片側のコイルエンド部の軸方向外端面部に対向するように配置され、コイルエンド部に接触するコイルエンド対向部を有する。また、本発明に係る超電導モータは、回転可能に配置されたロータと、前記ロータの径方向に対向配置されたステータとを備え、前記ステータは、ステータコアと、前記ステータコアの径方向一端部に巻装され、超電導線材により構成される複数の超電導コイルとを含む超電導モータであって、前記ステータコアは、環状のバックヨークと、前記バックヨークの径方向一端部に径方向に突出する複数のティースと、周方向に隣り合う前記ティース間に設けられたスロットとを有し、前記超電導コイルは、前記ティースに巻装されており、内側に低温の冷媒を流す少なくとも１つの細管を有する冷凍機をさらに備え、前記細管は、前記スロット内に配置され、前記ステータの軸方向に延設する延設部である軸方向の２つの直線部を有するＵ字形部を含み、前記２つの直線部が、前記直線部同士で別の前記超電導コイル、及び前記直線部同士で別の前記ティースに熱接触していることを特徴とする超電導モータである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明に係る超電導モータによれば、冷凍機に設けられ、内側に低温の冷媒を流す少なくとも１の細管が、ステータコアと少なくとも１の超電導コイルとの双方に熱接触するので、超電導コイルを所望の極低温に効率よく冷却するとともに、高負荷時や過渡的なモータ動作状態でも、安定した超電導状態を有効に作り出すことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の第１の実施の形態の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面の拡大図である。
【図３】第１の実施の形態で使用する冷凍機の基本構成を、細管をすべて直線状にした状態で示す図である。
【図４】図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図５】本発明から外れた比較例の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。
【図６】図５のＣ−Ｃ断面図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態の超電導モータを示す、図２に対応する図である。
【図８】第２の実施の形態において、１のスロット内の細管の蛇行部配置部分を示すステータの径方向内側から外側に見た図である。
【図９Ａ】一部を省略して示す、図７のＤ部拡大図である。
【図９Ｂ】第２の実施の形態で、細管がバックヨークに接触しない例を示す、図９Ａに対応する図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の超電導モータを示す、図８に対応する図である。
【図１１】図１０を右側から左側に見た図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態の超電導モータを示す、図２に対応する図である。
【図１３】本発明の第５の実施の形態の超電導モータを示す、図２に対応する図である。
【図１４】本発明の第６の実施の形態の超電導モータを示す、図２の半部に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［第１の実施の形態］
以下に、本発明に係る実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。この説明において、具体的な形状、材料、数値、方向等は、本発明の理解を容易にするための例示であって、用途、目的、仕様等にあわせて適宜変更することができる。
【００１９】
図１から図４は、本発明の第１の実施形態の超電導モータを示している。図１、図２に示すように、超電導モータ１０は、モータ本体１２と、モータ本体１２を冷却するための冷凍機１４とを備える。モータ本体１２は、モータケース１６と、モータケース１６に回転可能に支持された回転軸１８と、モータケース１６の内側で回転軸１８の外側に固定されることにより、回転可能に配置されたロータ２０とを含む。また、モータ本体１２は、モータケース１６の内周面に固定されることにより、ロータ２０の径方向外側に対向配置された略円筒状のステータ２２とを含む。また、冷凍機１４は、モータケース１６に固定されている。なお、以下の説明では、特に断らない限り、回転軸１８の中心軸Ｘに関し、これに沿う方向を軸方向といい、回転中心軸Ｘに対し直交する放射方向を径方向といい、回転中心軸Ｘを中心として描かれる円形に沿う方向を周方向という。
【００２０】
ロータ２０は、例えば電磁鋼板を積層してカシメや溶接等により一体に構成される円筒状のロータコア２４と、ロータコア２４の外周面の等間隔複数個所に設けられた永久磁石２６とを含む。すなわち、ロータコア２４の外周面には、複数（図２に示す例では６個）の永久磁石２６が露出した状態で周方向の等間隔に固定されている。永久磁石２６は、径方向に着磁されており、その着磁方向を周方向に交互に異ならせている。このため、ロータ２０の外周面には、Ｎ極とＳ極とが交互に配置されている。ただし、ロータ２０に設けられる永久磁石２６は、外周面に露出していなくてもよく、外周面近傍の内部に埋設されてもよい。このようなロータ２０は、丸棒鋼材等からなる回転軸１８の外周面に固定されている。
【００２１】
回転軸１８は、その両端部において、モータケース１６の両端部を構成する円盤状のエンドプレート２８，３０に固定された軸受３２により回転可能に支持されている。これにより、ステータ２２の内部に回転磁界が生成されると、その影響を受けてロータ２０が回転する。
【００２２】
ステータ２２は、略円筒状をなす固定子鉄心であるステータコア３４と、超電導コイルであるコイル３６とを含む。すなわち、ステータコア３４は、環状のバックヨーク３８と、バックヨーク３８の径方向一端部である、内周端部の周方向等間隔複数個所（図２に示す例では９個所）に径方向に突出するように設けられたティース４０とを有する。また、ステータコア３４は、バックヨーク３８の内周部の周方向に隣り合うティース４０間に設けられた、周方向複数個所（図示の例では９個所）等間隔位置のスロット４２を有する。ステータコア３４は、例えば複数の略円環状の電磁鋼板を軸方向に積層してカシメ、接着、溶接等によって一体に組み付けて構成できる。ただし、ステータコアは、それぞれ１つのティースを有する複数の分割コアを円環状に連ねて配置してその外側から筒状の締結部材により締め付けることによって造られてもよい。上記の分割コアは、圧粉磁心により造られてもよい。
【００２３】
ステータコア３４の複数のティース４０には、超電導線材により構成される複数のコイル３６が集中巻きで巻装されている。なお、複数のコイル３６は、ティース４０に分布巻きで巻装されることもできる。また、超電導線材は、断面形状が円形状でもよいし、あるいは、矩形状であってもよい。例えば、コイル３６は、断面矩形状の平角線である超電導線材を、フラットワイズ状に巻くことで構成することもできる。例えば、コイル３６は、ティース４０に超電導線材をソレノイド巻きまたはパンケーキ巻きに巻くことにより構成することもできる。また、超電導線材には、例えば、イットリウム系超電導材料やビスマス系超電導材料を好適に使用できる。ただし、超電導線材を構成する超電導材料は、これらに限定されるものではなく、他の公知の超電導材料、あるいは、将来開発される、より高温で超電導特性を発現する超電導材料であってもよい。
【００２４】
コイル３６を構成する超電導線材は、絶縁被覆されていてもよい。これにより、コイル３６として密着して巻回されたときに各ターン間での電気絶縁が確保される。ただし、超電導線材が絶縁被覆されていない場合、コイル３６を形成するときに絶縁紙や絶縁フィルム等を挟みながらコイル状に巻くことで各ターン間の電気絶縁が確保されてもよい。
【００２５】
コイル３６は、ステータコアの複数個所に設けられるスロット４２（図２）内に位置するスロット配置部４４と、ステータコア３４の軸方向両端面から軸方向外側へそれぞれ突出する両側のコイルエンド部４６とを含む。各コイル３６は、２つ置きごとのコイル３６と直列接続されてＵ，Ｖ，Ｗの各相コイルを構成する。各相コイルの一端は、図示しない中性点において互いに接続され、各相コイルの他端は図示しない各相電流導入端子にそれぞれ接続されている。
【００２６】
また、モータケース１６は、ロータ２０及びステータ２２を収容するもので、円筒状の外周筒部４８と、外周筒部４８の軸方向両端部にその外周縁部が気密に結合された一対のエンドプレート２８，３０とを含む。外周筒部４８及び各エンドプレート２８，３０は、例えばステンレス等の非磁性材料から構成される。なお、外周筒部４８を片側のエンドプレート２８（または３０）と一体の部材により造ることもできる。
【００２７】
外周筒部４８内には、それぞれ円筒状をなす内筒部材５０及び中間筒部材５２がロータ２０と同心に設けられている。内筒部材５０及び中間筒部材５２の軸方向両端部は、エンドプレート２８，３０の内面に気密状態を保持可能に連結されている。内筒部材５０は、磁界の通過を妨げず且つ非導電性である非金属材料（例えばＦＲＰ等）により造られるのが好ましい。より好ましくは、内筒部材５０は、低熱伝導率材料により造る。なお、内筒部材５０は、基本的機能として、磁束を通す機能と、内筒部材５０を含む空間密封部分での真空を保持できる機能とを有するものであればよく、非導電性材料を使用するものに限定されない。例えば、内筒部材５０を構成する材料として、非磁性の低電気伝導率を有する材料（例えばステンレス）等も使用可能である。一方、中間筒部材５２は、低熱伝導率材料（例えばＦＲＰ等）で造られるのが好ましく、低熱伝導率の非磁性材料で造られるのがより好ましい。
【００２８】
内筒部材５０は、ロータ２０の最外接円の直径よりも若干大きい内径を有し、ロータ２０の外周面との間に隙間が形成されている。また、内筒部材５０と中間筒部材５２との間には、筒状空間である第１真空室５４が設けられている。第１真空室５４内には、コイル３６を含むステータ２２が収容されている。ステータ２２を構成するステータコア３４の外周面は、中間筒部材５２の内周面に固定されている。
【００２９】
第１真空室５４は、後で詳しく説明する冷凍機１４を含めて超電導モータ１０が組み立てられた後に、エンドプレート２８，３０もしくは外周筒部４８等の第１真空室５４及び第２真空室５６の一方または両方と外側空間とに接する部材の少なくとも何れかに形成された図示しない空気抜き穴から真空引きされて、真空状態に維持される。このように、コイル３６及びステータ２２と接触しない内筒部材５０及び熱伝導率が低い中間筒部材５２で区画形成し、かつ、内部を真空とすることで、第１真空室５４内に収容されたコイル３６を含むステータ２２への断熱性を高めることができる。
【００３０】
さらに、中間筒部材５２とモータケース１６との間には、筒状空間からなる第２真空室５６が形成されている。第２真空室５６もまた、第１真空室５４と同様に真空状態になっている。中間筒部材５２には、第１真空室５４と第２真空室５６とを連通する穴を設けることが好ましい。これにより、第１真空室５４内に収容されたコイル３６を含むステータ２２が第２真空室５６によってもモータ外部と隔てられることで、コイル３６を含むステータ２２に対する断熱効果をより一層高めることができる。
【００３１】
また、超電導モータ１０を構成するモータ本体１２に、冷凍機１４が固定されている。次に、図３、図４を用いて、冷凍機１４の基本構成を説明する。図３は、本実施の形態で使用する冷凍機１４の基本構成を、細管６６をすべて直線状にした状態で示す図であり、図４は、図３のＢ−Ｂ断面図である。冷凍機１４は、複数の冷媒ガス流通用の細管６６を有する、フリーピストン式のスターリングクーラ型（ＦＰＳＣ型）としている。すなわち、冷凍機１４は、一端側に設けられた冷凍機駆動源である圧力振動源５８と、圧力振動源５８に一端部が固定されるコールドヘッドと呼ばれる蓄冷器６８と、他端側に設けられた位相制御器６２と、位相制御器６２に一端部が固定される第２ピストン収容部７０と、蓄冷器６８と第２ピストン収容部７０との間に接続された複数の冷却部であり、伝熱性の良好な材料からなる複数の細管６６とを含む。蓄冷器６８は、内部に図示しない蓄冷材が設けられている。また、蓄冷器６８及び第２ピストン収容部７０は、外部を断熱材により覆われた断熱構造である。
【００３２】
冷凍機１４は、圧力振動源５８に設けられたシリンダ７２内で直線的に往復移動する駆動ピストンである第１ピストン７４を有し、このシリンダ７２内の空間が蓄冷器６８の内側を介して複数の細管６６内に通じている。また、冷凍機１４は、第２ピストン収容部７０に設けたシリンダ７６内でも直線的に往復移動する膨張ピストンまたは従動ピストンと呼ばれる第２ピストン７８を有し、このシリンダ７６内の空間が低温側熱交換部である複数の細管６６内に通じている。複数の細管６６を含む、第１ピストン７４と第２ピストン７８との間の内部空間に冷媒である冷媒ガス（例えば、Ｈｅガス）が封入されている。すなわち、各細管６６は、内側に低温の冷媒ガスが流れるように構成されている。
【００３３】
また、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、各ピストン７４，７８の移動方向が同一直線上となるように対向配置されている。第１ピストン７４は、例えば圧力振動源５８を構成する図示しないリニアモータ等の可動子と接続されており、リニアモータにより、第１ピストン７４をシリンダ７２内で往復駆動させる。第１ピストン７４の往復駆動に伴って、圧力振動源５８のシリンダ７２内で冷媒ガスが圧力変動し、この圧力変動により、位相制御器６２の内部に図示しないコイルスプリングもしくは板ばね等で構成されたバネによって懸架された第２ピストン７８も従属的に往復移動する。この図示しないバネと第２ピストン７８の重量と、第１ピストン７４の往復移動による圧力変動によって、冷媒ガスの圧力変動と位置変動の位相差を調整することができる。また、位相制御器６２の内部に、第２ピストン７８の往復移動により生じる圧力変動を緩和する空間部を設けることにより、第２ピストン７８を配置するシリンダ７６内と連通して、冷媒ガスの圧力変動と位置変動の位相差を調整することができる。
【００３４】
第１ピストン７４の往復移動に伴って、第２ピストン収容部７０の細管６６端部近傍で冷媒ガスが断熱膨張して冷却されるので、各細管６６内部を流れる冷媒ガスも冷却される。このように、第１ピストン７４と第２ピストン７８との間で冷媒ガスの圧縮及び膨張が繰り返されることで、冷媒ガスが流れる各細管６６が冷却される。
【００３５】
冷凍機１４は、超電導線材からなるコイル３６が超電導特性を発現する所望の極低温（例えば、約７０Ｋ）まで冷却可能な冷却性能を有し、第１ピストン７４のストロークを制御することによって冷却温度を調節できる。このために、図示しない制御部により、第１ピストン７４のストロークが制御される。制御部は、超電導モータ１０（図１）の負荷に応じて冷凍機１４の冷却温度を制御するように構成することもできる。例えば、超電導モータ１０の負荷の上昇に伴って冷却温度を低下させることもできる。超電導モータ１０が電気自動車等の電動車両に走行用動力源として搭載される場合、設置スペースの制約や車両重量の軽量化のため冷凍機１４は小型で軽量のものであることが好ましい。上記のように冷凍機１４に、ＦＰＳＣ型を使用する場合、小型化及び軽量化を図れる。
【００３６】
本実施の形態では、このような基本構成を有する冷凍機１４を、モータ本体１２（図１）に固定している。すなわち、図１に示すように、超電導モータ１０において、軸方向一端側に位置するエンドプレート２８には、冷凍機１４を構成する圧力振動源５８側の筒状の第１ブラケット６０が固定され、軸方向他端側に位置するエンドプレート３０には、冷凍機１４を構成する位相制御器６２側の筒状の第２ブラケット６４が固定されている。そして、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、回転軸１８の回転軸Ｘと平行な同一直線上に配置され、モータ本体１２に関して軸方向両側に配置される。また、蓄冷器６８の一端部及び第２ピストン収容部７０の一端部は、それぞれ第１ブラケット６０または第２ブラケット６４の内側を介して第１真空室５４内に突出している。
【００３７】
また、図２に示すように、低温側熱交換部である複数の細管６６の長さ方向中間部は、ステータコア３４を構成する各スロット４２内にそれぞれ２ずつ設けるように配置されている。図２では、ステータ２２の周方向一部に複数の矢印を示しているが、各矢印は、細管６６から寒冷が伝達される方向を表している。このように各細管６６からは、寒冷がコイル３６とステータコア３４との双方に、細管６６との接触部を通じて伝達される。このように複数の細管６６のそれぞれは、中間部が対応するスロット４２内に配置されるようにするので、複数の細管６６の一部または全部は、中間部が略クランク形等に曲げ形成されている。
【００３８】
上記のように、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、モータ本体１２に関して軸方向両側に配置されている。ただし、本実施の形態は、このような構成に限定するものではなく、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、一対のエンドプレート２８，３０のうち、片側のエンドプレート２８（または３０）側のみに、直径方向反対側等、互いに周方向の異なる位置に設けることもできる。また、圧力振動源５８及び第２ピストン収容部７０は、モータ本体１２に関して軸方向両側に、直径方向反対側、すなわち回転軸１８に関して軸対称な位置等、互いに周方向の異なる位置に設けることもできる。
【００３９】
また、各細管６６は、各スロット４２内に配置される中間部を含む部分に、ステータ２２の軸方向に延設する、すなわち軸方向に伸びる延設部である直線部８０を有する。そして図２に示すように、各直線部８０は、バックヨーク３８の内周面でスロット４２の底面と、コイル３６を構成するスロット配置部４４（図１）の径方向外側の端部とに挟まれるように接触している。すなわち、各細管６６の直線部８０は、スロット４２内において、スロット４２の底部とコイル３６との間に双方に接触するように配置され、ステータコア３４とコイル３６との双方に熱接触している。このような構成では、ステータコア３４に設けられたスロット４２の数の２倍の数の細管６６が設けられている。すなわち、ステータコア３４に設けられたスロット４２の数と少なくとも同数の細管６６により低温側熱交換部が構成されている。また、複数の細管６６は、各スロット４２内において、回転軸１８と平行に配置されて、それぞれステータコア３４とコイル３６との双方に熱接触し、ステータコア３４とコイル３６とを冷却するように構成されている。
【００４０】
このような構成では、第２ピストン収容部７０のモータケース１６の外側に配置される端部により、高温側熱交換部が構成される。このような冷凍機１４は、圧力振動源５８と、高温側熱交換部と、蓄冷器６８と、低温側熱交換部と、第２ピストン７８（図３）とを備える。
【００４１】
このような超電導モータ１０によれば、冷凍機１４を構成し、内側に低温の冷媒ガスが流れる細管６６が、ステータコア３４とコイル３６との双方に熱接触している。このため、低温の固体の伝熱部をステータコアを介してコイルに熱接触させて、コイルを冷却する構成の場合と異なり、超電導線材からなるコイル３６を所望の極低温に効率よく冷却することができる。また、超電導モータ１０の高負荷時や過渡的なモータ動作状態でも、大きな熱容量を有するステータコア３４に細管６６を接触させている。このため、ステータコア３４をバッファとして機能させることができ、コイル３６の温度上昇に対して細管６６による冷却が追従できなくなることを有効に防止して、コイル３６を安定して冷却し続けることができる。この結果、安定した超電導状態を有効に作り出すことができる。
【００４２】
また、各細管６６は、スロット４２内において、ステータ２２の軸方向に延設する延設部である軸方向の直線部８０を有し、直線部８０がステータコア３４のスロット４２の底部とコイル３６との双方に接触することで、ステータコア３４とコイル３６との双方に熱接触している。一般的に、超電導コイルでは、通常の常温で使用する電動モータのコイルを構成する銅線に比べて極端に熱伝導性が悪いため、均一に冷却することが難しい。これに対して、上記の構成を有する本実施の形態によれば、例えばコイルにおいて、コイルエンドだけを冷却する構成の場合と異なり、コイル３６のスロット配置部４４を効率よく冷却できて、超電導コイルであるコイル３６の全体をより均一に冷却しやすくなる。すなわち、コイル３６全体の温度分布の偏りを少なくしつつコイル３６を冷却できる。
【００４３】
なお、上記では、各細管６６が、１のスロット４２内に設けられる軸方向に伸びる直線部８０を１本のみ有する場合を説明した。ただし、本実施の形態ではこのような構成に限定するものではなく、各細管が、それぞれスロット４２内に配置される２本以上の直線部を有する構成も採用できる。また、各細管は、１のティース４０の周囲にはめ込むような略Ｕ字形部分を有し、略Ｕ字形部分は、両側にそれぞれスロット４２に挿入され、軸方向に伸びる直線部を有する構造とすることもできる。
【００４４】
図５は、本発明から外れた比較例の超電導モータを示す、軸方向に沿った断面図である。図６は、図５のＣ−Ｃ断面図である。図５、図６に示す比較例の超電導モータ１０は、上記の本実施の形態の構造において、冷凍機１４（図１等）の代わりに、一対の冷凍機８２をモータ本体１２の両側に設けたような構造を有する。すなわち、各冷凍機８２は、上記の冷凍機１４と異なり、冷媒を流すための細管が設けられていないＦＰＳＣ型であり、圧力振動源であるガス圧縮機８４と、ガス圧縮機８４に接続された冷却部である蓄冷器８６とをそれぞれ有する。また、蓄冷器８６は、エンドプレート２８に固定された筒状のブラケット８８の内側を通じて先端部が円板状の伝熱部材９０に接触している。各伝熱部材９０の片面はコイルエンド部４６の軸方向外端部に接触している。
【００４５】
冷凍機８２は、ガス圧縮機８４の内部に設けられた図示しないシリンダ内でピストン（図示せず）が往復移動して冷媒ガスの圧縮及び膨張を繰り返し行うことで、蓄冷器８６及び伝熱部材９０を介して各コイル３６を冷却する。このような構成でも、コイル３６を冷却することが可能であるが、コイル３６の全体を均一に冷却しやすくする面からは改良の余地がある。また、伝熱部材９０は、内部に冷媒を流す細管を用いる構成と異なり、固体のみで冷却対象に伝熱するものであり、複数のコイル３６を均一に冷却する面からは改良の余地がある。上記の本実施の形態によれば、このような改良すべき点をいずれも改良できる。
【００４６】
なお、上記では、冷凍機１４として、第２ピストン７８が第１ピストン７４の変位にしたがって、従属的に変位するパッシブ型の冷凍機１４を説明した。ただし、冷凍機として、第１ピストン７４が往復変位する場合に、その往復変位の１サイクルの位相の９０〜１２０度程度ずらせた位相で第２ピストン７８が変位するように、第２ピストン７８側を強制的に変位させるリニアモータ等の第２駆動源を位相制御器６２側に設けることもできる。この場合には、アクティブ型の冷凍機が構成され、さらなる省エネルギ化を図れる。
【００４７】
また、冷凍機１４として、ＦＰＳＣ型以外の冷凍機を使用することもできる。例えば、冷凍機の設置スペース及び重量の制約が緩い場合、例えば、超電導モータ１０が電車や船舶等の大型の移動体の動力源として、あるいは、設置位置が固定された機械の動力源として用いられる場合には、上記のように複数の細管を有し、極低温（例えば、約７０Ｋ）まで冷却可能な冷却性能を有する冷凍機であれば、体格が大きくて重い冷凍機を用いることもできる。
【００４８】
また、冷凍機として、それぞれ細管を有する、スターリング型パルス管冷凍機や、ＧＭ冷凍機等を使用することもできる。例えばパルス管冷凍機では、上記の第２ピストン収容部７０の代わりに細管６６と位相制御器６２との間に接続されたパルス管を使用する。パルス管の内部にはピストンは設けない。このパルス管冷凍機において、圧力振動源５８として、バルブ開閉の切換により圧力を振動させる構造を用いることもできる。また、ＧＭ冷凍機として、上記のＦＰＳＣ型の冷凍機で、圧力振動源５８として、回転型の圧縮機や、バルブ開閉の切換により圧力を振動させる構造を用いることもできる。また、この構造では、位相制御器６２を省略して、細管６６の圧力振動源５８とは反対側の端部に接続された膨張圧縮部において膨張ピストンとしてディスプレーサを往復移動可能に設ける。ディスプレーサは、例えば冷凍機の作動中に、ステッピングモータ等のモータにより往復移動されるようにする。このように本発明では、冷凍機として内部に冷媒が流れる細管を有するものであれば、種々の種類の冷凍機を使用することができる。
【００４９】
［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態の超電導モータを示す、図２に対応する図である。図８は、第２の実施の形態において、１のスロット内の細管の蛇行部配置部分を示すステータの径方向内側から外側に見た図である。図９Ａは、一部を省略して示す、図７のＤ部拡大図である。
【００５０】
本実施の形態の超電導モータ１０の場合、上記の第１の実施の形態において、複数の細管として、各スロット４２内に軸方向全長にわたって軸方向に延びる直線部を有する構成を使用しない。その代わりに、本実施の形態では、複数の細管９２として、スロット４２内に配置される中間部に、ステータ２２の軸方向に延設する延設部である、蛇行形状の蛇行部９４を有する細管９２を使用している。図８に示すように、各蛇行部９４は、内側に冷媒ガスが流れるもので、ステータ２２の周方向（図８の上下方向）に伸びる複数の周方向部９６と、隣り合う周方向部９６の端部同士を連結する略Ｕ字形の連結部９８とを有し、全体としてステータ２２の軸方向（図８の左右方向）に伸びている。また、各蛇行部９４において、スロット４２の軸方向両端部に位置する周方向部９６の端部に、ステータ２２の軸方向に伸びる直線部１００が連結されている。片側（図８の右側）の直線部１００の一端は蓄冷器６８（図１）に接続され、他側（図８の左側）の直線部１００の一端は第２ピストン収容部７０（図１）に接続されている。
【００５１】
図９Ａに示すように、各スロット４２内に配置される蛇行部９４において、ステータ２２の径方向に関する外端縁（図９Ａの右端縁）は、スロット４２の底部に接触している。また、図８に示すように、各蛇行部９４の各周方向部９６において、ステータ２２の周方向に関する両端部は、周方向に隣り合う２のコイル３６において、ステータ２２の径方向に関する外端部のそれぞれに接触している。すなわち、各細管６６は、ステータコア３４と２のコイル３６の端部との双方に挟まれて、双方に熱接触している。図８に示す例では、各蛇行部９４の周方向部９６の両端部がコイル３６に接触している。
【００５２】
また、図９Ａに示すように、各蛇行部９４は、ステータ２２の軸方向に見た場合に、各周方向部９６で、スロット４２の断面円弧形の底部に沿うように略円弧形に湾曲しており、底部に押し付けられている。例えば、スロット４２内から各蛇行部９４を取り出した状態である、各蛇行部９４の自由状態で、各周方向部９６を含む、スロット４２の底部と対向する円弧形部分の円弧の曲率半径は、スロット４２の底部の円弧形の曲率半径Ｒ１よりも大きくすることもできる。すなわち、蛇行部９４において、ステータ２２の径方向外側に向く蛇行部９４の外端縁を円弧形に湾曲させるとともに、蛇行部９４の外端縁の一部または全部をスロット４２の底部に周方向に接触させている。さらに、蛇行部９４の自由状態での外端縁の直径をスロット４２の底部の断面円弧形の直径よりも大きくしている。この構成によれば、スロット４２の底部と蛇行部９４との接触圧が増大し、熱輸送、すなわち寒冷の伝達の効率向上を図れる。
【００５３】
このような本実施の形態の場合も、超電導線材からなるコイル３６を所望の極低温に効率よく冷却するとともに、高負荷時や過渡的なモータ動作状態でも、安定した超電導状態を有効に作り出すことができる。
【００５４】
また、各細管９２は、スロット４２内において、ステータ２２の軸方向に延設する延設部である蛇行部９４を有し、蛇行部９４がステータコア３４のスロット４２の底部とコイル３６との双方に接触することで、ステータコア３４とコイルとの双方に熱接触している。このため、コイルエンドだけを冷却する構成の場合と異なり、コイル３６の全体をより均一に冷却しやすくなる。すなわち、コイル３６全体の温度分布の偏りを少なくしつつコイル３６を冷却できる。また、図７に矢印で示すように、各蛇行部９４からは、寒冷をコイル３６とステータコア３４との双方に伝達することができる。このような本実施の形態では、冷凍機１４に設ける細管９２の数をスロット４２の数と同数とすることができる。このような蛇行部９４により寒冷をステータコア３４とコイル３６とへ伝達する構成では、蛇行部９４の形状を適宜変更することにより、ステータコア３４とコイル３６とへの冷却分配の程度を調整し、冷凍機１４の作動開始から超電導状態へ移行するまでの時間を調整することが容易になり、超電導状態の破綻を有効に防止することが可能となる。その他の構成及び作用は、上記の第１の実施の形態と同様である。
【００５５】
なお、本実施の形態において、細管９２の蛇行部９４において、ステータ２２の周方向に関する両端部のうち、一端部または両端部を、当該端部に周方向に対向するティース４０の側面に熱接触させることもできる。例えば、ティース４０の周囲には電気絶縁性を有するインシュレータ（図示せず）が設けられているが、蛇行部９４を、インシュレータを介してティース４０に接触させることで、蛇行部９４をティース４０に熱接触させることもできる。例えば、インシュレータは、シリカ、アルミナ、熱伝導性のよい非磁性材料等のフィラー等が含有された樹脂等の、熱伝導性の良好な材料により構成することもできる。この場合には、細管９２は、ステータコア３４に設けられたスロット４２の底部と、ティース４０と、コイル３６とに熱接触する。なお、この場合に蛇行部９４のティース４０またはインシュレータと対向する部分を平面部とすることで、平面部とティース４０またはインシュレータとを面接触させて伝熱性を向上することもできる。また、図９Ｂに示す別例のように、細管９２の蛇行部９４とスロット４２の底部との間に隙間を設けることで、蛇行部９４をスロット４２の底部に接触させず、細管９２をティース４０とコイル３６とに熱接触させることもできる。すなわち、各細管９２は、スロット４２内において、バックヨーク３８に接触せず、ティース４０とコイル３６との双方にのみ熱接触するように配置されていることもできる。また、細管が蛇行部９４を有しない場合でも、スロット４２内に配置される細管を略Ｕ字形に形成されたＵ字形部を有し、Ｕ字形部の両側の平行な直線部を周方向に隣り合う２のティースまたはインシュレータと、２の超電導コイルとに熱接触させる構成を採用することもできる。また、この場合に、スロット４２内において、細管とバックヨークとの間に隙間を設けて、バックヨークに細管が接触しないようにすることもできる。
【００５６】
［第３の実施の形態］
図１０は、本発明の第３の実施の形態の超電導モータを示す、図８に対応する図である。図１１は、図１０を右側から左側に見た図である。なお、図１０では、コイルと蛇行部９４との重なり部分を透視した図として示している。
【００５７】
上記の図８に示した第２の実施の形態では、各蛇行部９４の各周方向部９６において、ステータ２２の周方向に関する両端部は、周方向に隣り合う２のコイル３６の端部のそれぞれに接触している。これに対して、本実施の形態では、各スロット４２内に設けられる蛇行部９４において、ステータ２２の周方向に関する両端部に設けられた略Ｕ字形の各連結部９８が、コイル３６の端部とスロット４２の底部との間に挟持され、コイル３６の端部とステータコア３４とに接触している。このように略Ｕ字形の連結部９８にコイル３６の端部を接触させることで、上記の図７から図９に示した第２の実施の形態に比べてコイル３６と蛇行部９４との接触面積を大きくして、コイル３６の冷却性を向上させることができる。このように蛇行部９４のコイル３６への当て方や接触部を工夫することで、ステータコア３４とコイル３６とへの冷却分配の程度を調整し、冷凍機１４の作動開始から超電導状態へ移行するまでの時間を調整することが容易になり、超電導状態の破綻を有効に防止することが可能となる。その他の構成及び作用は、上記の図７から図９に示した第２の実施の形態と同様である。なお、本実施の形態において、細管９２の蛇行部９４において、ステータ２２の周方向に関する両端部のうち、一端部または両端部を、当該端部に周方向に対向するティース４０の側面に熱接触させることもできるのは、上記の第２の実施の形態と同様である。
【００５８】
［第４の実施の形態］
図１２は、本発明の第４の実施の形態の超電導モータを示す、図２に対応する図である。本実施の形態では、上記の図１から図４に示した第１の実施の形態において、ステータコア３４を構成する各スロット４２内に樹脂が充填されることにより構成される樹脂部１０２が設けられている。樹脂の種類は限定しないが、好ましくは、樹脂はシリカ、アルミナ、熱伝導性のよい非磁性材料等のフィラー等が含有された、熱伝導性の良好な高熱伝導率樹脂とする。また、樹脂中にモールドされた状態で、各細管９２を構成する直線部８０の各スロット４２に配置される部分は、スロット４２の底部と、コイル３６においてステータ２２の径方向に関する外端部との間に挟まれるように、スロット４２の底部とコイル３６との双方に接触している。
【００５９】
この構成によれば、各スロット４２内で、冷凍機１４を構成する細管６６から離れた位置である、ステータ２２の径方向内側に近づいた部分にも樹脂部１０２による冷却経路が生成されるため、細管６６からコイル３６へ寒冷を伝達する部分の伝熱面積が樹脂部１０２により増えることと相まって、コイル３６に温度分布の偏りが生じにくくなる。また、より好ましくは、樹脂の射出成形等により、コイル３６とステータコア３４との間の空気層をなくす、すなわち各スロット４２内の全体に樹脂を充填するようにすることで冷却性のより高い効果を得られる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図４に示した第１の実施の形態と同様である。
【００６０】
［第５の実施の形態］
図１３は、本発明の第５の実施の形態の超電導モータを示す、図２に対応する図である。本実施の形態では、上記の図１２に示した第４の実施の形態において、ステータコア３４を構成する各スロット４２のうち、少なくとも一部のスロット４２内に設けられた樹脂部１０２に空洞部１０４が設けられている。空洞部１０４の形状は限定しないが、例えば、図１３に示すように、スロット４２内の樹脂部１０２に設けられた軸方向に貫通する断面略楕円形や、複数の断面矩形部分を互いに連結した形状を有する空洞部１０４とする。ただし、空洞部は、スロット４２内の樹脂部１０２に設けられた軸方向に貫通しない形状に形成することもできる。また、図示の例では、一部のスロット４２に設けられた樹脂部１０２のみに空洞部１０４を設けているが、すべてのスロット４２に設けられた樹脂部１０２に空洞部１０４を設けることもできる。
【００６１】
この構成によれば、少なくとも一部のスロット４２内に充填するように設けられた樹脂部１０２に空洞部１０４が設けられるので、細管６６からコイル３６へ寒冷を伝達する熱伝達経路を調整しやすくなり、かつ、余分な部分への熱輸送を妨げることで、コイル３６に対する冷却性の向上を図れる。また、樹脂部１０２の熱容量を空洞部１０４により調整でき、冷却性能を調整することが容易になる。その他の構成及び作用は、上記の図１２に示した第４の実施の形態と同様である。
【００６２】
［第６の実施の形態］
図１４は、本発明の第６の実施の形態の超電導モータを示す、図２の半部に対応する図である。本実施の形態では、上記の図１から図４に示した第１の実施の形態において、ステータコア３４を構成する各スロット４２内に配置される直線部８０を有する細管６６は、スロット４２内から外側に突出した部分に、コイルエンド部４６の軸方向外端面部に対向するように配置されるコイルエンド対向部１０６を有する。コイルエンド対向部１０６は、図示の例では、細管６６のうち、コイルエンド部４６の軸方向外端面部に沿うように、ステータ２２の径方向内側に折り曲げて径方向に伸びる第１径方向部１０８と、第１径方向部１０８の径方向内端部に連結され、ティース４０の周方向中央寄りに周方向に伸びる周方向部１１０と、周方向部１１０の第１径方向部１０８とは反対側端部に連結され、径方向外側に伸びる第２径方向部１１２とを有する。そして第１径方向部１０８、周方向部１１０及び第２径方向部１１２の少なくとも一部をコイルエンド部４６の軸方向外側面部に接触させ、熱接触させている。すなわち、細管６６は、両側（図１４の表裏方向両側）のコイルエンド部４６に接触するように配置されている。この構成によれば、コイル３６に対する冷却性をより向上できるとともに、コイル３６全体をより均一に冷却しやすくなる。すなわち、コイル３６全体の温度分布の偏りを少なくしつつコイル３６を冷却できる。なお、両側のコイルエンド部４６の片側のコイルエンド部４６の軸方向外端部のみに細管を接触させる構成とすることもできる。その他の構成及び作用は、上記の図１から図４に示した第１の実施の形態と同様である。なお、細管６６をコイルエンド部４６の軸方向外側面部に接触させる部分の構造は、図示の形状を有する構造に限定するものではなく、種々の構造を採用できる。
【００６３】
なお、上記の各実施の形態では、ステータがロータの径方向外側に対向配置されたインナーロータの構造に本発明を適用した場合を説明した。ただし、本発明は、これに限定するものではなく、ステータがロータの径方向内側に対向配置されたアウターロータの構造に本発明を適用することもできる。この場合、超電導コイルは、ステータコアの径方向一端部である外周端部に巻装される。
【符号の説明】
【００６４】
１０  超電導モータ、１２  モータ本体、１４  冷凍機、１６  モータケース、１８  回転軸、２０  ロータ、２２  ステータ、２４  ロータコア、２６  永久磁石、２８，３０  エンドプレート、３２  軸受、３４  ステータコア、３６  コイル、３８  バックヨーク、４０  ティース、４２  スロット、４４  スロット配置部、４６  コイルエンド部、４８  外周筒部、５０  内筒部材、５２  中間筒部材、５４  第１真空室、５６  第２真空室、５８  圧力振動源、６０  第１ブラケット、６２  位相制御器、６４  第２ブラケット、６６  細管、６８  蓄冷器、７０  第２ピストン収容部、７２  シリンダ、７４  第１ピストン、７６  シリンダ、７８  第２ピストン、８０  直線部、８２  冷凍機、８４  ガス圧縮機、８６  蓄冷器、８８  ブラケット、９０  伝熱部材、９２  細管、９４  蛇行部、９６  周方向部、９８  連結部、１００  直線部、１０２  樹脂部、１０４  空洞部、１０６  コイルエンド対向部、１０８  第１径方向部、１１０  周方向部、１１２  第２径方向部。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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